一种功率双极型晶体管及其制备方法技术

一种功率双极型晶体管及其制备方法，属于半导体器件与工艺制造领域。所述功率双极型晶体管由下到上依次包括：集电区金属电极，由第一导电类型半导体材料构成的集电区，由第二导电类型半导体材料构成的基区；基区的上方分别具有与基区表面接触的基区金属电极和由第一导电类型半导体材料构成的发射区；发射区的上方具有与发射区表面接触的发射区金属电极；发射区的侧壁与基区金属电极之间，以及基区金属电极与发射区金属电极之间填充隔离介质。由于发射区的侧壁被介质层包围，避免了基极电流直接从基区接触流入发射区的侧壁，缓解了电流集边效应。同时通过在隔离介质上挖孔制作基区金属电极，不会增加基区寄生电阻，对功率双极型晶体管输出功率没有影响。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于半导体器件与工艺制造领域，具体涉及功率双极型晶体管结构及其制备方法。
技术介绍
功率双极型晶体管自从20世纪50年代就开始在商业中获得应用。虽然20世纪70年代功率MOSFET的出现，在一些应用场合取代了功率双极型晶体管，但由于其技术成熟、电流处理能力强等优点，仍在各种中小型电力电子电路作为开关器件广泛使用。功率双极型晶体管的物理特性本质上和普通三极管相似，但为了实现功率双极型晶体管的高集电极电压，引入了高电阻集电区。 二次击穿是功率双极型晶体管在应用中失效的主要原因之一，二次击穿通常是不可恢复的，因此危害性非常大。电流集中造成的热不稳定性是导致二次击穿的机理之一。当双极型晶体管的发射结处于正向偏置时，由于基区存在横向电阻，基极电流流动时产生的基极电阻自偏压效应将迫使发射极电流集中在发射结边缘流动，材料、生产工艺造成的不均匀性也有可能引起发射极电流集中在发射结边缘。电流集中会导致芯片温度升高，由于双极型晶体管电流具有正温度特性，温度的升高又导致电流的进一步集中，形成电流和温度的恶性循环而导致器件烧毁。为了防止发射极电流集边造成的二次击穿，常用的措施是在发射极或基极串联镇流电阻，利用镇流电阻作负反馈来限制发射区出现电流、温度的恶性循环，镇流电阻由金属膜或多晶硅制作。但是由于大功率开关晶体管的电流较大，镇流电阻的存在会消耗较大的功率从而减小输出增益；另一方面，虽然镇流电阻能均衡各发射极条的电流，却不能均衡每个发射极条内某局部区域电流的不均匀性。另外，制作镇流电阻还需要增加生产设备和生产工序，增加了制造成本。工艺上也常采用减小发射结下面的基区电阻的措施来防止发射极电流的集边，即提高基区中的掺杂浓度，减小基区电阻。但是提高基区掺杂浓度要受到发射区极限掺杂浓度、基区输运系数，以及基区穿通效应的限制，因而改善的幅度有限。为了避免发射区电流集边效应对双极型器件二次击穿特性的影响，舒梅等在文献《提高大功率开关晶体管二次击穿容量的一种方法》(见SCIENCE&TECHN0L0GYINF0RMATI0N2007N0. 24page 233-234)提出了一种不明显改变芯片的面积，通过对版图进行特殊设计，再通过调整工艺来弥补设计上的不足，从而有效提高大功率开关晶体管的二次击穿功率容量的方法如图3所示，在基区3中制作一圈围绕基极金属电极6的、与发射区相同掺杂类型的环形结构8，该环形结构8能够阻止基极电流直接流向发射极侧壁，避免在发射极侧壁处发生电流集中，同时也避免了表面复合对双极型晶体管基区输运系数的影响。然而由于环形结构8与发射区具有相同的掺杂类型，这会增大基区的寄生电阻，给功率双极型晶体管带来额外的功耗
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种功率双极型晶体管的新结构及其制备方法，缓解功率双极型晶体管的发射极电流集边效应，提高功率双极型晶体管的二次击穿容量，同时对功率双极型晶体管输出功率没有影响。本专利技术同时给出了所述功率双极型晶体管新结构的制备方法。本专利技术技术方案如下一种功率双极型晶体管，如图I所示，由下到上依次包括集电区金属电极1，由第一导电类型半导体材料构成的集电区2，由第二导电类型半导体材料构成的基区3 ;基区3的上方分别具有与基区3表面接触的，基区金属电极6和由第一导电类型半导体材料构成的发射区4 ;发射区4的上方具有与发射区4表面接触的发射区金属电极7 ;发射区4的侧壁与基区金属电极6之间，以及基区金属电极6与发射区金属电极7之间填充隔离介质5。本专利技术的工作原理 图2所示的常规双极型晶体管，从基区金属电极6到发射区4结平面之间的电流通路上存在基区电阻。当基区电流较大时，将在基区电阻上产生压降，从而降低了加在发射结上的偏压。由于基区电阻是分布式电阻，越靠近发射区边缘的电流，所经过的分布式基区电阻越小，在分布式电阻上产生的压降也越小。结果造成发射结不同区域的结偏压不同，因此通过发射结不同区域的发射极电流是不均匀的，越靠近发射结边缘的地方电流密度越高，这种现象叫做发射区电流集边效应。电流集中会导致芯片温度升高，由于双极型晶体管电流具有正温度特性，温度的升高又导致电流的进一步集中，形成电流和温度的恶性循环而导致器件烧毁。为了避免发射区电流集边效应对双极型器件二次击穿特性的影响，舒梅等在文献《提高大功率开关晶体管二次击穿容量的一种方法》(见SCIENCE&TECHN0L0GYINF0RMATI0N2007N0. 24page 233-234)提出了一种不明显改变芯片的面积，通过对版图进行特殊设计，再通过调整工艺来弥补设计上的不足，从而有效提高大功率开关晶体管的二次击穿功率容量的方法如图3所示，在基区3中制作一圈围绕基极金属电极6的、与发射区相同掺杂类型的环形结构8，该环形结构8能够阻止基极电流直接流向发射极侧壁，避免在发射极侧壁处发生电流集中，同时也避免了表面复合对双极型晶体管基区输运系数的影响。然而由于环形结构8与发射区具有相同的掺杂类型，这会增大基区的寄生电阻，给功率双极型晶体管带来额外的功耗。本专利技术提出的功率双极型晶体管，如图4所示，由于发射区4与基区3之间只存在一个接触面，发射区4的侧壁不与基区3接触；同时发射区4的侧壁与基区金属电极6之间填充了隔离介质5 (即发射区4的侧壁被隔离介质层5包围)；所以避免了基极电流直接从基区3流入发射区4的侧壁，缓解了电流集边效应。同时，通过在隔离介质5上挖孔制作基区金属电极6，避免了图3所示现有技术引入的环形结构8所带来的基区寄生电阻的增加，对功率双极型晶体管输出功率没有影响。因此，本专利技术的有益效果包括两方面(1)缓解了发生在功率双极型晶体管侧壁的发射区电流集边效应，有利于提高器件的二次击穿功率容量；(2)不会增加基区寄生电阻，对功率双极型晶体管输出功率没有影响。附图说明图I是本专利技术提供的一种功率双极型晶体管的示意图。图2是常规功率双极型晶体管的基极电流示意图。图3是文献(舒梅《提高大功率开关晶体管二次击穿容量的一种方法》SCIENCE&TECHNOLOGY INFORMATION 2007N0. 24page 233-234)提出的功率双极型晶体管的基极电流不意图。图4是本专利技术提供的一种功率双极型晶体管的基极电流示意图。图I至图4中，I是集电区金属电极，2是由第一导电类型半导体材料构成的集电区，3是由第二导电类型半导体材料构成的基区，4是由第一导电类型半导体材料构成的发射区，5是隔离介质，6是基区金属电极，7是发射区金属电极，8是在基区3中围绕基极金属电极6的、与发射区相同掺杂类型的环形结构。Ib代表从基区流入发射区的电流。 图5是本专利技术提供的功率双极型晶体管的一种版图结构。其中，I是发射区，2是发射区接触孔，3是基区接触孔，4是介质层。图5-a-图5-f给出的是本专利技术提供的一种功率双极型晶体管的制备工艺流程。图5_a表示基区的形成。图5_b表示发射区的形成。图5-c表示发射区周围挖槽。图5-d表示隔离介质的形成。图5_e表示隔离介质的刻蚀。图5_f表示淀积金属电极。具体实施例方式一种功率双极型晶体管，如图I所示，由下到上依次包括集电区金属电极1，由重掺杂第一导电类型半导体材料构成的集电区2，由第二导电类型半导体材料构成的基区3 ；本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种功率双极型晶体管，由下到上依次包括：集电区金属电极（1），由第一导电类型半导体材料构成的集电区（2），由第二导电类型半导体材料构成的基区（3）；基区（3）的上方分别具有与基区（3）表面接触的基区金属电极（6）和由第一导电类型半导体材料构成的发射区（4）；发射区（4）的上方具有与发射区（4）表面接触的发射区金属电极（7）；发射区（4）的侧壁与基区金属电极（6）之间，以及基区金属电极（6）与发射区金属电极（7）之间填充隔离介质（5）。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：任敏，李果，宋洵奕，张鹏，王娜，邓光敏，张蒙，李泽宏，张金平，张波，
申请(专利权)人：电子科技大学，
类型：发明
国别省市：